EP1114967A1 - Method and device for suppressing whirls in a turbo-engine - Google Patents
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- EP1114967A1 EP1114967A1 EP01810007A EP01810007A EP1114967A1 EP 1114967 A1 EP1114967 A1 EP 1114967A1 EP 01810007 A EP01810007 A EP 01810007A EP 01810007 A EP01810007 A EP 01810007A EP 1114967 A1 EP1114967 A1 EP 1114967A1
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- F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators
Definitions
- the invention relates to a method and to a device for suppression of fluidized vortices within a fluid power machine with a Burner in which a fuel / air mixture is ignited and hot gases that leave the burner at the burner outlet and into a open the combustion chamber following the burner in the flow direction of the hot gases.
- thermoacoustic vibrations often occur in the combustion chambers, which occur in the burner as fluid-mechanical instability waves and lead to flow eddies that have a strong influence on the entire combustion process and lead to undesired periodic heat releases within the combustion chamber, which are associated with strong pressure fluctuations.
- the high pressure fluctuations are associated with high vibration amplitudes, which can lead to undesirable effects, such as a high mechanical load on the combustion chamber housing, an increased NO x emission due to inhomogeneous combustion and even an extinguishing of the flame within the combustion chamber.
- Thermoacoustic vibrations are based, at least in part, on flow instabilities the burner flow, which is expressed in coherent flow structures, and that affect the mixing processes between air and fuel.
- Convention Combustion chambers become cooling air in the manner of a cooling air film over the combustion chamber walls headed.
- the cooling air film also has a sound-absorbing effect and contributes to the reduction of thermoacoustic vibrations.
- the sound-absorbing cooling air film is also reduced, which reduces the sound-absorbing effect and those with the unwanted Problems associated with vibrations are increasing again.
- thermoacoustic vibration amplitudes has the disadvantage that the injection of fuel at the head stage can be accompanied by an increase in the emission of NO x .
- thermoacoustic vibrations have more detailed studies on the formation of thermoacoustic vibrations demonstrated that such undesirable coherent structures arise during mixing processes. Of particular importance are those that mix between two Flow-forming shear layers, formed within the coherent structures become. More detailed information on this can be found in the following publications: Oster & Wygnanski 1982, "The forced mixing layer between parallel streams", Journal of Fluid Mechanics, vol. 123, 91-130; Paschereit et al. 1995, “Experimental investigation of subharmonic resonance in an axisymmetric jet ", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 283, 365-407).
- the invention is based on the object of a method for suppressing Fluidized vortices within a fluid power machine, in particular a gas turbine system, with a burner in which a fuel / air mixture for ignition is brought and hot gases are formed that exit the burner at the burner leave and in a downstream of the burner in the flow direction of the hot gases Open combustion chamber to develop such that the undesirable flow vortices, that form as coherent pressure fluctuation structures, efficiently and should be wiped out without much additional energy expenditure.
- the Measures necessary for this should cause little design effort and be inexpensive to implement.
- the method according to the preamble of claim 1 targeted admixture of a mass flow into the inside of the burner Hot gases in front of the burner outlet.
- the invention is based on the knowledge that the place of origin of the coherent Structures the boundary or shear layer is directly at the burner outlet. Different from the principle of anti-sound, in which an existing sound field passes through Introduction of a phase-shifted sound field of the same energy extinguished the idea of the invention is based on the direct influence of the shear layer itself, in which the thermoacoustic vibrations begin to develop. Through direct influence, in the form of a targeted injection of a mass flow, preferably a gaseous mass flow, such as air, nitrogen or natural gas, those acting in the shear layer can act on the shear layer itself Mechanisms amplifying pressure fluctuations can be used to target the to eliminate unwanted pressure fluctuations.
- a mass flow preferably a gaseous mass flow, such as air, nitrogen or natural gas
- thermoacoustic vibrations are extinguished can.
- Additional Energy sources as they are known from the anti-noise technology, are not required in the method according to the invention.
- the method according to the invention thus permits direct excitation of the shear layer at the place of their origin, i.e. at the burner outlet.
- the burner has at least two hollow, in the flow direction Hot gases nested partial bodies, their central axes to each other run offset, so that adjacent walls of the partial body tangential Air inlet ducts for the inflow of combustion air into one of the part bodies form predetermined interior, and wherein the burner at least one Has fuel nozzle.
- Such burner types also known as cone burners, have a circular tear-off edge at their burner outlet an outlet channel is provided immediately adjacent to the burner side the mass flow is injected into the shear layer that forms at the separation edge can be.
- the outlet channel is preferably on the inside of the burner outlet provided immediately at its tear-off edge.
- the mass flow inflow is constant or preferably pulsed in the shear layer to subsequently to mix with the hot gases.
- vibration damping is the pulsation frequency of the mass flow on the training behavior the undesirable that forms within the shear layer Coordinate flow vortices or thermoacoustic vibrations.
- Empirical values show that effective suppression of unwanted flow vortices at pulsation frequencies between 1 and 5 kHz, preferably between 50 and 300 Hz.
- thermoacoustic training Vibration characteristic signal is supplied, and depending of which an excitation signal is generated, through which the into the boundary layer mass flow to be introduced is modulated.
- the mass flow feed-in can be done for reasons of little effort determining excitation signal can also be supplied by a control unit, that in no particular phase relationship to those within the shear layer forming thermoacoustic vibrations. Still can on in this way a highly efficient vibration suppression can be achieved.
- FIG. 1 shows a schematic device for targeted suppression thermoacoustic vibrations within a burner system.
- Very schematized a conical burner 1 is shown, with one directly in the direction of flow subsequent combustion chamber 2.
- the conical burner 1 has a circular design Burner outlet 3, which is designed in particular as a sharp tear-off edge is.
- the tear-off edge circularly surrounding, an outlet channel 4 through which a mass flow, preferably air or Nitrogen, can be applied in a targeted manner (see arrows).
- a boundary or shear layer is formed 5 out, within which the unwanted thermoacoustic vibrations arise.
- a controllable Valve 6 ensures that the mass flow is both continuous and can also be fed in pulses into the shear layer 5.
- thermoacoustic vibrations it is possible to choose a fixed, predetermined pulse frequency, which in no fixed phase relation to those forming within the shear layer 5 thermoacoustic vibrations.
- the valve 6 can be within the scope of a closed-loop control specify a pulse frequency that is in a certain Relationship to the training behavior of the thermoacoustic vibrations within the shear layer 5 stands. So, by appropriate choice of a correct phase difference between the pulsation of the mass flow and a measured one Excitation signal that the thermoacoustic vibrations within the shear layer characterized, the coherence of the developing instability waves disturbed , which significantly reduces the pulsation amplitudes can. In contrast to acoustic excitation using the anti-noise technique are not high demands on the excitation mechanism according to the invention to provide, especially since thermal framework conditions the functionality the damping mechanism is not significantly affected.
- the mode of operation of the inventive method for suppressing Flow eddies within fluid power machines is also out of the diagram according to FIG. 2.
- the diagram should be according to Fig. 2 serve, the suppression of a pressure oscillation in the 100 Hz range has been included.
- the mass flow is excited antisymmetrically to the thermoacoustic that develop within the shear layer Vibrations. Nitrogen was used as the mass flow.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschnine mit einem Brenner, in dem ein Brennstoff-/Luftgemisch zur Zündung gebracht wird und Heissgase gebildet werden, die den Brenner am Brenneraustritt verlassen und in eine, dem Brenner in Strömungsrichtung der Heißgase nachfolgende Brennkammer einmünden.The invention relates to a method and to a device for suppression of fluidized vortices within a fluid power machine with a Burner in which a fuel / air mixture is ignited and hot gases that leave the burner at the burner outlet and into a open the combustion chamber following the burner in the flow direction of the hot gases.
Beim Betrieb von Strömungskraftmaschinen, wie beispielsweise Gasturbinenanlagen, treten in den Brennkammern häufig unerwünschte, so genannte thermoakustische Schwingungen auf, die am Brenner als strömungsmechanische Instabilitätswellen entstehen und zu Strömungswirbeln führen, die den gesamten Verbrennungsvorgang stark beeinflussen und zu unerwünschten periodischen Wärmefreisetzungen innerhalb der Brennkammer führen, die mit starken Druckschwankungen verbunden sind. Mit den hohen Druckschwankungen sind hohe Schwingungsamplituden verknüpft, die zu unerwünschten Effekten, wie etwa zu einer hohen mechanischen Belastung des Brennkammergehäuses, einer erhöhten NOx-Emission durch eine inhomogene Verbrennung und sogar zu einem Erlöschen der Flamme innerhalb der Brennkammer führen können.During the operation of flow engines, such as gas turbine systems, undesirable so-called thermoacoustic vibrations often occur in the combustion chambers, which occur in the burner as fluid-mechanical instability waves and lead to flow eddies that have a strong influence on the entire combustion process and lead to undesired periodic heat releases within the combustion chamber, which are associated with strong pressure fluctuations. The high pressure fluctuations are associated with high vibration amplitudes, which can lead to undesirable effects, such as a high mechanical load on the combustion chamber housing, an increased NO x emission due to inhomogeneous combustion and even an extinguishing of the flame within the combustion chamber.
Thermoakustische Schwingungen beruhen zumindest teilweise auf Strömungsinstabilitäten der Brennerströmung, die sich in kohärenten Strömungsstrukturen äußern, und die die Mischungsvorgänge zwischen Luft und Brennstoff beeinflussen. Bei herkömmlichen Brennkammern wird Kühlluft in Art eines Kühlluftfilm über die Brennkammerwände geleitet. Neben dem Kühleffekt wirkt der Kühlluftfilm auch schalldämpfend und trägt zur Verminderung von thermoakustischen Schwingungen bei. In modernen Gasturbinenbrennkammern mit hohen Wirkungsgraden, niedrigen Emissionen und einer konstanten Temperaturverteilung am Turbineneintritt ist der Kühlluftstrom in die Brennkammer deutlich reduziert und die gesamte Luft wird durch den Brenner geleitet. Jedoch reduziert sich zugleich auch der schalldämpfende Kühlluftfilm, wodurch die schalldämpfende Wirkung herabgesetzt wird und die mit den unerwünschten Schwingungen verbundenen Probleme wieder verstärkt auftreten.Thermoacoustic vibrations are based, at least in part, on flow instabilities the burner flow, which is expressed in coherent flow structures, and that affect the mixing processes between air and fuel. With conventional Combustion chambers become cooling air in the manner of a cooling air film over the combustion chamber walls headed. In addition to the cooling effect, the cooling air film also has a sound-absorbing effect and contributes to the reduction of thermoacoustic vibrations. In modern gas turbine combustion chambers with high efficiency, low emissions and a constant temperature distribution at the turbine inlet is the cooling air flow into the combustion chamber significantly reduced and all the air is through the Burner directed. However, the sound-absorbing cooling air film is also reduced, which reduces the sound-absorbing effect and those with the unwanted Problems associated with vibrations are increasing again.
Eine weitere Möglichkeit der Schalldämpfung besteht im Ankoppeln so genannter Helmholtz-Dämpfern im Bereich der Brennkammer oder der Kühlluftzufuhr. Jedoch ist bei modernen Brennkammerkonstruktionen das Vorsehen derartiger HelmholtzDämpfer auf Grund enger Platzverhältnisse mit großen Schwierigkeiten verbunden.Another possibility of sound absorption is to connect so-called Helmholtz dampers in the area of the combustion chamber or the cooling air supply. However is the provision of such Helmholtz dampers in modern combustion chamber designs associated with great difficulties due to the limited space.
Daneben ist bekannt, dass den im Brenner auftretenden strömungsmechanischen Instabilitäten und den damit verbundenen Druckschwankungen dadurch entgegengetreten werden kann, indem die Brennstoffflamme durch zusätzliche Eindüsung von Brennstoff stabilisiert werden kann. Eine derartige Eindüsung von zusätzlichem Brennstoff erfolgt über die Kopfstufe des Brenners, in der eine auf der Brennerachse liegende Düse für die Pilot-Brennstoffgaszuführung vorgesehen ist, was jedoch zu einer Anfettung der zentralen Flammstabilisierungszone führt. Diese Methode der Verminderung von thermoakustischen Schwingungsamplituden ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass die Eindüsung von Brennstoff an der Kopfstufe mit einer Erhöhung der Emission von NOx einhergehen kann.In addition, it is known that the fluid mechanical instabilities occurring in the burner and the associated pressure fluctuations can be counteracted by stabilizing the fuel flame by additional injection of fuel. Such injection of additional fuel takes place via the head stage of the burner, in which a nozzle is provided on the burner axis for the pilot fuel gas supply, but this leads to an enrichment of the central flame stabilization zone. However, this method of reducing thermoacoustic vibration amplitudes has the disadvantage that the injection of fuel at the head stage can be accompanied by an increase in the emission of NO x .
Nähere Untersuchungen zur Ausbildung thermoakustischer Schwingungen haben gezeigt, dass derartig unerwünschte kohärente Strukturen bei Mischvorgängen entstehen. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die sich zwischen zwei mischenden Strömungen ausbildenden Scherschichten, innerhalb der kohärente Strukturen gebildet werden. Nähere Ausführungen hierzu sind folgenden Druckschriften zu entnehmen: Oster & Wygnanski 1982, "The forced mixing layer between parallel streams", Journal of Fluid mechanics, Vol. 123, 91-130; Paschereit et al. 1995, "Experimental investigation of subharmonic resonance in an axisymmetric jet", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 283, 365-407).Have more detailed studies on the formation of thermoacoustic vibrations demonstrated that such undesirable coherent structures arise during mixing processes. Of particular importance are those that mix between two Flow-forming shear layers, formed within the coherent structures become. More detailed information on this can be found in the following publications: Oster & Wygnanski 1982, "The forced mixing layer between parallel streams", Journal of Fluid Mechanics, vol. 123, 91-130; Paschereit et al. 1995, "Experimental investigation of subharmonic resonance in an axisymmetric jet ", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 283, 365-407).
Wie aus den vorstehenden Artikeln hervorgeht, ist es möglich, die sich innerhalb der Scherschichten ausbildenden kohärenten Strukturen durch gezieltes Einbringen einer akustischen Anregung derart zu beeinflussen, dass Ihre Entstehung verhindert wird. Eine weitere Methode ist das Einbringen eines akustischen Gegenschallfeldes, sodass das vorhandene unerwünschte Schallfeld durch ein gezielt eingebrachtes, phasenverschobenes Schallfeld regelrecht ausgelöscht wird. Die Antischall-Technik, wie sie auch beschrieben wird, benötigt jedoch verhältnismäßig viel Energie, die entweder extern dem Brennersystem zur Verfügung gestellt werden muss oder die dem gesamten System an einer anderen Stelle abzuzweigen ist, was jedoch zu einer, wenn auch geringen, aber dennoch vorhandenen Wirkungsgradeinbuße führt.As can be seen from the previous articles, it is possible to move within the Coherent structures forming shear layers by targeted introduction of a to influence acoustic excitation in such a way that it does not arise becomes. Another method is to introduce an acoustic counter-sound field, so that the existing unwanted sound field through a specifically introduced, phase-shifted sound field is literally canceled. The anti-noise technique, however, as it is described, requires a relatively large amount of energy either externally to the burner system or the the entire system has to be branched off in another place, which however results in a leads to a slight, but still present loss of efficiency.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb einer Strömungskraftmaschine, insbesondere einer Gasturbinenanlage, mit einem Brenner, in dem ein Brennstoff-/Luftgemisch zur Zündung gebracht wird und Heißgase gebildet werden, die den Brenner am Brenneraustritt verlassen und in eine, dem Brenner in Strömungsrichtung der Heißgase nachfolgende Brennkammer einmünden, derart weiterzubilden, dass die unerwünschten Strömungswirbel, die sich als kohärente Druckschwankungsstrukturen ausbilden, effizient und ohne großen zusätzlichen Energieaufwand ausgelöscht werden sollen. Die hierzu notwendigen Maßnahmen sollen einen geringen konstruktiven Aufwand verursachen und kostengünstig in ihrer Realisierung sein.The invention is based on the object of a method for suppressing Fluidized vortices within a fluid power machine, in particular a gas turbine system, with a burner in which a fuel / air mixture for ignition is brought and hot gases are formed that exit the burner at the burner leave and in a downstream of the burner in the flow direction of the hot gases Open combustion chamber to develop such that the undesirable flow vortices, that form as coherent pressure fluctuation structures, efficiently and should be wiped out without much additional energy expenditure. The Measures necessary for this should cause little design effort and be inexpensive to implement.
Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 15 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen zu entnehmen. The object on which the invention is based is achieved in claims 1 and 15 indicated. Features advantageously developing the inventive concept are the subject of the dependent claims as well as the description and the exemplary embodiments refer to.
Erfindungsgemäß sieht das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine gezielte Beimischung eines Massenstromes in die im Inneren des Brenners entstehenden Heißgase unmittelbar am Ort des Brenneraustritts vor.According to the invention, the method according to the preamble of claim 1 targeted admixture of a mass flow into the inside of the burner Hot gases in front of the burner outlet.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass der Ort der Entstehung der kohärenten Strukturen die Grenz- bzw. Scherschicht unmittelbar am Brenneraustritt ist. Anders als das Prinzip des Antischalls, bei dem ein vorhandenes Schallfeld durch Einbringen eines phasenverschobenen Schallfeldes gleicher Energie ausgelöscht wird, basiert der Erfindungsgedanke auf der unmittelbaren Beeinflussung der Scherschicht selbst, in der sich die thermoakustischen Schwingungen auszubilden beginnen. Durch die direkte Einflussnahme, in Form einer gezielten Injektion eines Massenstromes, vorzugsweise eines gasförmigen Massenstromes, wie Luft, Stickstoff oder Erdgas, auf die Scherschicht selbst können die, in der Scherschicht wirkenden Druckschwankungen verstärkenden Mechanismen genutzt werden, um gezielt die unerwünschten Druckschwankungen auszulöschen. So werden bereits kleinste, von außen in die Scherschicht eingebrachte Störungen, in Form von einer gezielten Massenstromzuführung, selbst verstärkt, durch die die sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden unerwünschten thermoakustischen Schwingungen ausgelöscht werden können. Auf diese Weise ist man in der Lage, mit kleinen von extern induzierten Störsignalen die thermoakustischen Schwingungen gänzlich zu unterdrücken. Zusätzliche Energiequellen, wie sie von der Antischalltechnik her bekannt sind, sind beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich.The invention is based on the knowledge that the place of origin of the coherent Structures the boundary or shear layer is directly at the burner outlet. Different from the principle of anti-sound, in which an existing sound field passes through Introduction of a phase-shifted sound field of the same energy extinguished the idea of the invention is based on the direct influence of the shear layer itself, in which the thermoacoustic vibrations begin to develop. Through direct influence, in the form of a targeted injection of a mass flow, preferably a gaseous mass flow, such as air, nitrogen or natural gas, those acting in the shear layer can act on the shear layer itself Mechanisms amplifying pressure fluctuations can be used to target the to eliminate unwanted pressure fluctuations. So even the smallest, from disturbances introduced into the outside of the shear layer in the form of a targeted mass flow feed, itself reinforced by those within the shear layer unwanted thermoacoustic vibrations are extinguished can. This way one is able to work with small externally induced ones Interference signals to completely suppress the thermoacoustic vibrations. Additional Energy sources, as they are known from the anti-noise technology, are not required in the method according to the invention.
So erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine direkte Anregung der Scherschicht am Ort ihrer Entstehung, d.h. am Brenneraustritt.The method according to the invention thus permits direct excitation of the shear layer at the place of their origin, i.e. at the burner outlet.
Typischerweise weist der Brenner mindestens zwei hohle, in Strömungsrichtung der Heißgase ineinander geschachtelte Teilkörper auf, deren Mittelachsen zueinander versetzt verlaufen, sodass benachbarte Wandungen der Teilkörper tangentiale Lufteintrittskanäle für die Einströmung von Verbrennungsluft in einen von den Teilkörpern vorgegebenen Innenraum bilden, und wobei der Brenner zumindest eine Brennstoffdüse aufweist. Derartige, auch als Kegelbrenner bezeichnete Brennertypen, weisen an ihrem Brenneraustritt eine kreisrund ausgebildete Abrisskante auf, an der Brennerseitig unmittelbar angrenzend ein Austrittskanal vorgesehen ist, durch den der Massenstrom in die, sich an der Abrisskante ausbildende Scherschicht injiziert werden kann. Vorzugsweise ist der Austrittskanal an der Innenseite des Brenneraustritts unmittelbar an seiner Abrisskante vorgesehen.Typically, the burner has at least two hollow, in the flow direction Hot gases nested partial bodies, their central axes to each other run offset, so that adjacent walls of the partial body tangential Air inlet ducts for the inflow of combustion air into one of the part bodies form predetermined interior, and wherein the burner at least one Has fuel nozzle. Such burner types, also known as cone burners, have a circular tear-off edge at their burner outlet an outlet channel is provided immediately adjacent to the burner side the mass flow is injected into the shear layer that forms at the separation edge can be. The outlet channel is preferably on the inside of the burner outlet provided immediately at its tear-off edge.
Neben der Verwendung eines gasförmigen Massenstromes, wie vorstehend aufgezeigt, ist es auch möglich, einen flüssigen Massenstrom den Heißgasen beizumischen, beispielsweise in Form flüssigen Brennstoffs.In addition to using a gaseous mass flow, as shown above, it is also possible to add a liquid mass flow to the hot gases, for example in the form of liquid fuel.
Um gezielt die sich innerhalb der Scherschicht am Brenneraustritt ausbildenden thermoakustischen Schwingungen zu unterdrücken, ist der Massenstromzufluss konstant oder vorzugsweise gepulst in die Scherschicht einzubringen, um sich nachfolgend mit den Heißgasen zu vermischen. Für optimale Ergebnisse in der Schwingungsdämpfung ist die Pulsationsfrequenz des Massenstromes auf das Ausbildungsverhalten der sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden, unerwünschten Strömungswirbel bzw. thermoakustischen Schwingungen abzustimmen. Erfahrungswerte zeigen, dass eine effektive Unterdrückung der unerwünschten Strömungswirbel bei Pulsationsfrequenzen zwischen 1 und 5 kHz, vorzugsweise zwischen 50 und 300 Hz liegen.In order to target those that form within the shear layer at the burner outlet To suppress thermoacoustic vibrations, the mass flow inflow is constant or preferably pulsed in the shear layer to subsequently to mix with the hot gases. For optimal results in vibration damping is the pulsation frequency of the mass flow on the training behavior the undesirable that forms within the shear layer Coordinate flow vortices or thermoacoustic vibrations. Empirical values show that effective suppression of unwanted flow vortices at pulsation frequencies between 1 and 5 kHz, preferably between 50 and 300 Hz.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Massenstromeinspeisung als Antwortsignal auf die sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden thermoakustischen Schwingungen erfolgt. Dies setzt voraus, dass das Ausbildungsverhalten der Strömungswirbel innerhalb der Scherschicht erfasst wird und dass in Abhängigkeit davon ein entsprechendes Antwort- bzw. Anregungssignal generiert wird. Dies erfolgt vorzugsweise innerhalb eines geschlossenen Regelkreises, dem ein für die Ausbildung thermoakustischer Schwingungen charakteristisches Signal zugeführt wird, und der in Abhängigkeit davon ein Anregungssignal generiert, durch das der in die Grenzschicht einzubringende Massenstrom moduliert wird. Mit an sich bekannten Techniken ist es möglich, das für die Ausbildung von thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Grenzschicht charakteristische Signal zu erfassen, entsprechend zu filtern und phasengedreht und verstärkt einer weiteren Regeleinheit, die nach Maßgabe des vorstehend geschilderten geschlossenen Regelkreises arbeitet, zuzuführen.It is particularly advantageous if the mass flow feed as a response signal to the thermoacoustic vibrations that form within the shear layer he follows. This presupposes that the training behavior of the flow vortex is detected within the shear layer and that depending on it a corresponding one Response or excitation signal is generated. This is preferably done within a closed control loop, one for thermoacoustic training Vibration characteristic signal is supplied, and depending of which an excitation signal is generated, through which the into the boundary layer mass flow to be introduced is modulated. With techniques known per se it is possible for the formation of thermoacoustic vibrations within the Boundary layer to detect characteristic signal, filter accordingly and phase-shifted and reinforces another control unit, which in accordance with the above described closed loop works to feed.
Demgegenüber kann aus Gründen geringen Aufwandes das die Massenstromeinspeisung bestimmende Anregungssignal auch von einer Steuereinheit geliefert werden, das in keiner bestimmten Phasenbeziehung zu den sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden thermoakustischen Schwingungen steht. Dennoch kann auf diese Weise eine höchst effiziente Schwingungsunterdrückung erzielt werden.In contrast, the mass flow feed-in can be done for reasons of little effort determining excitation signal can also be supplied by a control unit, that in no particular phase relationship to those within the shear layer forming thermoacoustic vibrations. Still can on in this way a highly efficient vibration suppression can be achieved.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch. Es zeigen:
- Fig. 1
- schematische Darstellung der erfindungsgemäß ausgebildeten Anregungsvorrichtung, sowie
- Fig. 2
- Diagrammdarstellung zur Unterdrückungseffizienz mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises.
- Fig. 1
- schematic representation of the excitation device designed according to the invention, and
- Fig. 2
- Diagram of suppression efficiency using a closed control loop.
In Fig. 1 ist eine schematisierte Vorrichtung dargestellt zur gezielten Unterdrückung
thermoakustischer Schwingungen innerhalb eines Brennersystems. Stark schematisiert
ist ein Kegelbrenner 1 dargestellt, mit einer in Strömungsrichtung unmittelbar
anschließenden Brennkammer 2. Der Kegelbrenner 1 weist einen kreisförmig ausgebildeten
Brenneraustritt 3 auf, der insbesondere als scharfe Abrisskante ausgebildet
ist. An der Innenseite des Brenneraustritts 2 mündet, die Abrisskante zirkular umlaufend,
ein Austrittskanal 4, durch den ein Massenstrom, vorzugsweise Luft oder
Stickstoff, gezielt ausgebracht werden kann (siehe Pfeile). Unmittelbar in Strömungsrichtung
am Brenneraustritt 3 anschließend, bildet sich eine Grenz- bzw. Scherschicht
5 aus, innerhalb der die unerwünschten thermoakustischen Schwingungen
entstehen. Um diese effizient zu unterdrücken, erfolgt durch den Austrittskanal 4 eine
gezielte Massenstrominjektion in die Scherschicht 5, innerhalb der Strömungswirbel
verstärkende Mechanismen wirken, und infolge dessen auch die durch den Massenstrom
in die Scherschicht induzierten Störungen entsprechend verstärken. Ein ansteuerbares
Ventil 6 sorgt dafür, dass der Massenstrom sowohl kontinuierlich als
auch pulsweise in die Scherschicht 5 eingespeist werden kann.1 shows a schematic device for targeted suppression
thermoacoustic vibrations within a burner system. Very schematized
a conical burner 1 is shown, with one directly in the direction of flow
Grundsätzlich ist es möglich, eine fest vorgegebene Pulsfrequenz zu wählen, die in
keinem festen Phasenbezug zu den sich innerhalb der Scherschicht 5 ausbildenden
thermoakustischen Schwingungen steht. Jedoch kann das Ventil 6 im Rahmen eines
geschlossenen Regelkreises eine Pulsfrequenz vorgeben, die in einem bestimmten
Verhältnis zum Ausbildungsverhalten der thermoakustischen Schwingungen innerhalb
der Scherschicht 5 steht. So kann durch geeignete Wahl einer korrekten Phasendifferenz
zwischen der Pulsation des Massenstromes sowie eines gemessenen
Anregungssignals, das die thermoakustischen Schwingungen innerhalb der Scherschicht
charakterisiert, die Kohärenz der sich entwickelnden Instabilitätswellen gestört
werden, wodurch die Pulsationsamplituden entscheidend verringert werden
können. Im Gegensatz zur akustischen Anregung unter Verwendung der Antischalltechnik
sind an dem erfindungsgemäßen Anregungsmechanismus keine hohen Anforderungen
zu stellen, zumal auch thermische Rahmenbedingungen die Funktionalität
des Dämpfungsmechanismus nicht wesentlich beeinträchtigt.Basically, it is possible to choose a fixed, predetermined pulse frequency, which in
no fixed phase relation to those forming within the
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Unterdrückung von Strömungswirbeln innerhalb von Strömungskraftmaschinen ist auch aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 zu entnehmen. Zur Gegenüberstellung eines nichtgedämpften Strömungsfalls (siehe hierzu die gestrichelte Linie) gegenüber eines gedämpften Strömungsfalles (siehe hierzu durchgezogenen Linienzug) soll das Diagramm gemäß Fig. 2 dienen, das bei einer Unterdrückung einer Druckschwingung im 100 Hz-Bereich aufgenommen worden ist. Die Anregung des Massenstromes erfolgt antisymmetrisch zu den sich innerhalb der Scherschicht ausbildenden thermoakustischen Schwingungen. Als Massenstrom wurde Stickstoff verwandt. The mode of operation of the inventive method for suppressing Flow eddies within fluid power machines is also out of the diagram according to FIG. 2. To compare an undamped one Flow case (see the dashed line) compared to a damped Flow diagram (see solid line), the diagram should be according to Fig. 2 serve, the suppression of a pressure oscillation in the 100 Hz range has been included. The mass flow is excited antisymmetrically to the thermoacoustic that develop within the shear layer Vibrations. Nitrogen was used as the mass flow.
- 11
- Brennerburner
- 22nd
- BrennkammerCombustion chamber
- 33rd
- BrenneraustrittBurner outlet
- 44th
- AustrittskanalOutlet channel
- 55
- ScherschichtShear layer
- 66
- VentilValve
Claims (21)
dadurch gekennzeichnet, dass den Heissgasen unmittelbar am Ort des Brenneraustritts (3) ein Massenstrom beigemischt wird.Method for suppressing flow eddies within a fluid power machine with a burner (1), in which a fuel / air mixture is ignited and hot gases are formed, which leave the burner at the burner outlet (3) and into one, the burner (1) in Flow direction of the hot gases into the downstream combustion chamber (2),
characterized in that a mass flow is admixed to the hot gases directly at the location of the burner outlet (3).
dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Heißgase ein Brenner (1) verwendet wird, der aus mindestens zwei hohlen, in Strömungsrichtung der Heissgase ineinandergeschachtelten Teilkörpern besteht, deren Mittelachsen zueinander versetzt laufen, dergestalt, dass benachbarte Wandungen der Teilkörper tangentiale Lufteintrittskanäle für die Einströmung von Verbrennungsluft in einen von den Teilkörpern vorgegebenen Innenraum bilden, und wobei der Brenner zumindest eine Brennstoffdüse aufweist.Method according to claim 1,
characterized in that a burner (1) is used to generate the hot gases, said burner consisting of at least two hollow partial bodies nested one inside the other in the flow direction of the hot gases, the center axes of which are offset from one another, in such a way that adjacent walls of the partial bodies have tangential air inlet channels for the inflow of combustion air form into an interior space predetermined by the partial bodies, and wherein the burner has at least one fuel nozzle.
dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom an der Innenseite des Brenneraustritts (3) in den Heissgasstrom beigemischt wird.The method of claim 1 or 2,
characterized in that the mass flow on the inside of the burner outlet (3) is mixed into the hot gas flow.
dadurch gekennzeichnet, dass als Massenstrom ein Gasstrom, vorzugsweise Luft, Stickstoff oder Erdgas verwendet wird. Method according to one of claims 1 to 3,
characterized in that a gas flow, preferably air, nitrogen or natural gas is used as the mass flow.
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Heißgase am Brenneraustritt (3) innerhalb einer Scherschicht (5) vom Brenner (1) ablösen, innerhalb der gezielt der Massenstrom eingebracht wird.Method according to one of claims 1 to 4,
characterized in that the hot gases at the burner outlet (3) separate from the burner (1) within a shear layer (5) within which the mass flow is introduced in a targeted manner.
dadurch gekennzeichnet, dass über wenigstens einen Teil des Brenneraustritts (3) der Massenstrom in das Brennstoff/Luft Gemisch gelangt.Method according to one of claims 1 to 5,
characterized in that the mass flow enters the fuel / air mixture via at least part of the burner outlet (3).
dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom kontinuierlich in das Brennstoff/Luft Gemisch beigemischt wird.Method according to one of claims 1 to 6,
characterized in that the mass flow is continuously mixed into the fuel / air mixture.
dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom gepulst in das Brennstoff/Luft Gemisch beigemischt wird.Method according to one of claims 1 to 6,
characterized in that the mass flow is pulsed into the fuel / air mixture.
dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsation des Massenstromes mit einer Pulsationsfrequenz erfolgt, die mit dem Ausbildungsverhalten der Strömungswirbel abgestimmt wird, sodass die Ausbildung der Strömungswirbel verringert wird.A method according to claim 8,
characterized in that the pulsation of the mass flow takes place at a pulsation frequency which is coordinated with the formation behavior of the flow vortices, so that the formation of the flow vortices is reduced.
dadurch gekennzeichnet, dass die Beimischung des Massenstroms mittels einer Steuereinheit (6) erfolgt, die gezielt angesteuert wird.Method according to claim 9,
characterized in that the admixture of the mass flow takes place by means of a control unit (6) which is controlled in a targeted manner.
dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom mit einer Pulsationsfrequenz in die Heißgase beigemischt wird, die zwischen 1 und 5 kHz liegt, bevorzugt zwischen 50 und 300 Hz. Method according to one of claims 8 to 10,
characterized in that the mass flow is mixed with a pulsation frequency in the hot gases which is between 1 and 5 kHz, preferably between 50 and 300 Hz.
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) mit einem offenen oder einem geschlossenen Regelkreis betrieben wird.A method according to claim 10 or 11,
characterized in that the control unit (6) is operated with an open or a closed control loop.
dadurch gekennzeichnet, dass der offene Regelkreis ein Anregungssignal erzeugt, das in keiner bestimmten Phasenbeziehung zu einem gemessenen Signal steht, das die, sich innerhalb der Strömungskraftmaschnine entstehenden Strömungswirbel charakterisiert.Method according to claim 12,
characterized in that the open control loop generates an excitation signal which has no particular phase relationship to a measured signal which characterizes the flow vortices which arise within the flow power machine.
dadurch gekennzeichnet, dass dem geschlossenen Regelkreis ein Signal zugeführt wird, das durch die, in der Strömungskraftmaschiene entstehenden Strömungswirbel charakterisiert ist, und als Anregungssignal für den gepulsten Massenstrom verwendet wird.Method according to claim 12,
characterized in that the closed control loop is supplied with a signal which is characterized by the flow vortices arising in the flow force machine and is used as an excitation signal for the pulsed mass flow.
dadurch gekennzeichnet, dass das dem geschlossenen Regelkreis zugeführte Signal gemessen, gefiltert, phasengedreht und verstärkt wird.The method of claim 14
characterized in that the signal supplied to the closed control loop is measured, filtered, phase-shifted and amplified.
dadurch gekennzeichnet, dass am Brenneraustritt (3) wenigstens ein Austrittskanal (4) mündet, über ein Massenstrom in die, den Brenner (1) verlassenden Heissgase einbringbar ist. Device for suppressing flow vortices within a fluid power machine with a burner (1) in which a fuel / air mixture is ignited and hot gases are formed which leave the burner (1) at the burner outlet (3) and into one, the burner ( 1) open into the combustion chamber (2) downstream in the flow direction of the hot gases,
characterized in that at least one outlet channel (4) opens at the burner outlet (3) and can be introduced via a mass flow into the hot gases leaving the burner (1).
dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (1) ein Kegelbrenner ist, dessen Brenneraustritt (3) eine weitgehend kreisringförmige Kontur aufweist, entlang der wenigsten teilweise der Austrittskanal (4) mündet.Device according to claim 16,
characterized in that the burner (1) is a conical burner, the burner outlet (3) of which has a largely circular contour, along which the outlet channel (4) at least partially opens.
dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittskanal am Brenneraustritt derart angebracht ist, dass der Massenstrom weitgehend senkrecht zur Strömungsrichtung der, den Brenner verlassenden Heissgasen gerichtet ist.Device according to claim 16 or 17,
characterized in that the outlet channel is attached to the burner outlet in such a way that the mass flow is directed largely perpendicular to the flow direction of the hot gases leaving the burner.
dadurch gekennzeichnet, dass im Zuleitungsbereich des Austrittskanals eine Regeleinheit vorgesehen ist, über die der Massenstrom pulsweise den Heissgasen beimischbar ist.Device according to one of claims 16 to 18,
characterized in that a control unit is provided in the feed area of the outlet channel, via which the mass flow can be mixed in pulses with the hot gases.
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit ein Ventil ist.Device according to claim 19,
characterized in that the control unit is a valve.
dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskraftmaschine eine Gasturbinenanlage, ein Boiler oder eine Heizung ist.Device according to one of claims 16 to 20,
characterized in that the turbo engine is a gas turbine system, a boiler or a heater.
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